SwitcherCAD III - Tutorial -
SWITCHERCAD III
TUTORIAL
Pietro Salvato
© Pietro Salvato
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SwitcherCAD III - Tutorial -
INDICE DEI CONTENUTI
- PREFAZIONE pag. 3
- TERMINI DI UTILIZZO pag. 3
- IN RETE pag. 3
1.0 MENU, TOOL BAR E PREFERENZE pag. 4
2.0 IL NOSTRO PRIMO SCHEMA pag. 5
3.0 SCHEMA DI UN CIRCUITO RISONANTE RLC pag. 8
4.0 ANALISI DEL TRANSITORIO DI UN CIRCUITO RLC pag. 10
5.0 RISPOSTA IN FREQUENZA DEI FILTRI PASSIVI RC pag. 12
6.0 POTENZIALI STATICI DI TENSIONE E CORRENTE IN UNA RETE pag. 14
7.0 SWEEP DI TENSIONE E CARATTESTICA DEL DIODO pag. 16
8.0 SWEEP DI CORRENTE E CARATTERISTICA DI COLLETTORE pag. 17
9.0 VARIAZIONI DI TEMPERATURA pag. 18
10.0 IL BJT COME INTERRUTTORE ON-OFF pag. 20
11.0 RILIEVO DELLE CARATTERISTICHE DI UN NMOS pag. 22
12.0 AMPLIFICATORE OPERAZIONALE INVERTENTE E CIFRA DI RUMORE pag. 24
13.0 COMPARATORE A FINESTRA pag. 26
APPENDICE
- A) LA NETLIST pag. 27
- B) LETTERE pag. 28
- C) NUMERI E SUFFISSI pag. 29
- D) COMANDI DI EDITING pag. 30
- E) COMANDI DI ANALISI S.P.I.C.E. pag. 31
- F) BIBLIOGRAFIA pag. 34
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- PREFAZIONE
Queste pagine non hanno certamente l’ambizione di voler spiegare in maniera approfondita ed
esaustiva tutte le funzioni offerte da quest’interessante programma “freeware” di S.P.I.C.E.
(Simulation Program with Integrated Circuit Enphasis) della Linear Technology Corporation.
Si tratta invece di un breve tutorial sulle sue funzioni basilari: l’editor di uno schema, l’analisi del
transitorio, della risposta in frequenza, dei potenziali statici e dello “sweep” di varie grandezze
fisiche ed elettriche ecc…
Questo lavoro nasce dal fatto che per SwitcherCAD III© in rete esiste davvero poco materiale, in
particolare nella nostra lingua, a cui fare riferimento nonostante il programma venga consigliato
come software didattico in diversi corsi di laurea in ingegneria.
Ho cercato di evitare l’inserimento di cumuli di nozioni teoriche poiché lo scopo che mi sono
prefisso non è quello di spiegare l’elettronica attraverso un programma di S.P.I.C.E. ma più
modestamente cercare di fornire quegli elementi necessari per “avviare la macchina”.
Del resto chi si avvicina ad un software di simulazione elettronica, generalmente, una certa
familiarità con l’elettronica e le sue leggi fondamentali già c’è l’ha.
Per eventuali suggerimenti il mio indirizzo e-mail è a vostra disposizione.
- TERMINI DI UTILIZZO
1. LA VERSIONE DEL PRESENTE TUTORIAL DEVE ESSERE DISTRIBUITA E PRESENTATA NELLA SUA
FORMA ORIGINARIA.
2. IL MANUALE NON DEVE ESSERE MODIFICATO IN ALCUN MODO.
3. E’ PERMESSO ALL'UTENTE LA LIBERA DISTRIBUZIONE DI QUESTO ELABORATO.
4. L’AUTORE NON POTRÀ ASSUMERE ALCUNA RESPONSABILITÀ SE ESSO DOVESSE PROVOCARE
DANNI DI QUALSIASI GENERE: L'UTENTE UTILIZZA QUESTO MANUALE A PROPRIO RISCHIO E
PERICOLO. IN NESSUN CASO L’AUTORE POTRÀ ESSERE RITENUTO RESPONSABILE DI EVENTUALI
DANNI SIA DIRETTI CHE INDIRETTI.
5. QUESTO MANUALE È STATO IDEATO COME FREEWARE.
6. UTILIZZANDO QUESTO MANUALE, L’UTENTE ACCETTA IMPLICITAMENTE QUESTE CONDIZIONI.
Pietro Salvato
[email protected]
- IN RETE
http://www.linear.com/software (il sito da cui scaricare SwCAD III)
http://telpar.altervista.org/ (altro interessante sito di elettronica in cui trovare SwCAD III)
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1.0 MENU, TOOL BAR E PREFERENZE
Per creare un nuovo schema circuitale occorre premere sul pulsante [New Schematic] .
Apparirà una griglia (con fondo solitamente grigio) che può essere però modificata nelle sue varie
componenti cromatiche (sfondo, colore dei componenti elettronici, dei fili di connessione,
dell’elemento in evidenza ecc.) scegliendo dal menù [Tool] la voce Color Preferences.
Di default è attivata una Tool bar che contiene, tra l’altro, dei pulsanti che raffigurano alcuni dei
principali elementi circuitali. Se la Tool bar non dovesse essere attiva (o la si volesse disattivare)
basta spuntare dal menù [View] la voce Tool bar.
Vediamo i pulsanti contenuti nella parte destra della Tool bar
.
Il primo (a partire da sinistra) raffigura una matita. E’ lo strumento [Wire] il quale permette di
collegare tra loro i componenti che compongono lo schema. Segue il pulsante [Ground] che
permette di inserire la “terra”, ovvero il punto con potenziale di riferimento 0, nel circuito.
Il terzo pulsante [Label Net] permette invece di identificare in modo più chiaro un qualsiasi nodo
che compone il circuito anziché affidarsi alla classificazione progressiva (del tipo N001 – N002
ecc.) che assegna automaticamente il programma. Il quarto pulsante [Resistor] inserisce nello
schema un resistore che può essere poi editato per cambiargli il nome, inserendo il valore in Ohm,
la tolleranza %, la potenza dissipata ecc. Segue il pulsante [Capacitor] che inserisce, in modo
analogo al pulsante precedente, un condensatore nel circuito. A seguire abbiamo il pulsante
[Inductor] che permette di inserire un’induttanza nel circuito.
Il penultimo pulsante raffigura un diodo [Diode] il quale, una volta piazzato sulla griglia, può essere
editato (premendo il pulsante destro del mouse sul componente) per sceglierne uno tra quelli
proposti nella libreria dei componenti.
Infine abbiamo un ultimo pulsante (raffigurato da una porta logica and) chiamato [Component] che
permette di inserire tutti gli altri componenti elettronici nello schema (transistor, amp.op. porte
logiche, generatori di tensione o di corrente ecc.) Lo stesso risultato si ottiene premendo il tasto
[F2]. E’ possibile inoltre editare, modificare e creare proprie librerie di componenti.
Per cancellare dallo schema un
componente, invece, basta
premere
il
tasto
[F5].
Comparirà una forbice che, con
un clic sul pulsante sinistro del
mouse,
cancellerà
un
componente, un ramo o un
intero blocco dallo schema.
Per spostare un componente o
un
intero
blocco
precedentemente
selezionato
sullo schema, invece basterà
premere il tasto [F7] oppure il
pulsante [Move]
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.
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2.0 IL NOSTRO PRIMO SCHEMA
Eseguiamo le seguenti istruzioni e realizziamo un semplice circuito ohmico in regime continuo,
verifichiamone quindi la risposta con l’analisi del transitorio. Successivamente ripetiamo la stessa
analisi su un circuito R-C parallelo sottoposto ad una tensione impulsiva.
1.
Premere [Ctrl+N] o il pulsante
dal menù [File].
[New Schematic] nella Tool bar, oppure la stessa voce
2.
Premere [F2] o il tasto
oppure selezionare la voce [New Component] nel menù [Edit]
per scegliere il simbolo del componente desiderato.
3.
Scrivere “Res” o selezionare il simbolo del Resistore dal menù, quindi premere OK.
4.
Trascinare (drag) il simbolo della Resistenza sullo schema. Premere il pulsante sinistro del
mouse per piazzarlo nello schema.
5.
OK.
Scrivere “Voltage” o selezionare il simbolo del Generatore di tensione dal menù e premere
6.
Mettere il simbolo del Generatore di tensione a sinistra del simbolo del Resistore.
7.
Premere [ESC] per uscire.
8.
Premere [F3], il cursore si trasformerà in una sorta di “mirino” tratteggiato a croce.
9.
Connettere, premendo il pulsante sinistro del mouse, il terminale superiore del Resistore a
quello del Generatore di tensione.
10.
Cliccare sul terminale inferiore del Resistore and disegnare verso il basso un filo verticale.
Cliccare poi sul pulsante destro del mouse (or cliccare, tornando indietro, sullo stesso filo già
disegnato) per terminare il collegamento.
11.
Aggiungere un segmento di filo al terminale inferiore del Generatore di tensione.
12.
Premere [G] o il pulsante [Place GND]
sulla tool bar oppure selezionare la stessa voce
dal menù [Edit] per mettere il simbolo della “terra” (GROUND) sotto entrambi i segmenti di filo.
13.
Press [ESC] per uscire. Per eventualmente cancellare, invece, premere [F5].
14.
Portare il puntatore del mouse sopra al simbolo del Generatore di tensione. Apparirà una
mano; premere quindi il pulsante destro del mouse.
15.
Inserire “1” nel campo [DC value]. (Tensione=1V in corrente continua)
16.
Portare il puntatore del mouse sopra al simbolo del Resistore, apparirà una mano, quindi
cliccare col pulsante destro del mouse.
17.
Scrivere “2” nel campo [Resistance(ohm)]. (Resistenza=2Ω)
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18.
Cliccare su [Run] nel menù [Simulate] oppure premere sulla Tool bar il pulsante
19.
Scrivere .TRAN 1 nel campo Analysis Command Edit (si avvia la simulazione per un
transitorio di 1 secondo).
20.
Cliccare nuovamente [Run] nel menù [Simulate] oppure il pulsante sulla Tool bar
21.
Selezionare la voce V(n001) per mostrare il seguente grafico della nostra forma d’onda.
E’ la nostra tensione continua di 5V generata dal V1.
22.
Sia la finestra di Windows® con lo schema elettrico che quella con il grafico della forma
d’onda dovrebbero essere visibili. Cliccare sul simbolo del Resistore, apparirà una pinza
amperometrica che mostrerà sul grafico il valore della corrente che attraversa il resistore R1.
23.
Con un singolo clic verrà mostrata un’altra traccia sul display. Cliccando sullo stesso nodo
sarà mostrata nuovamente la tensione V(n001) mentre la traccia della Corrente I(R1) verrà rimossa.
Aggiungiamo un Condensatore, p.e. da 1nF (in modo analogo a quanto già fatto per il resistore), in
parallelo al Resistore e modifichiamo il Generatore di tensione da continua a impulsiva usando la
funzione PULSE. Per esempio con: PULSE (0 5 5u 2u 3u 10u 20u). Sarà generata una forma
d’onda impulsiva che comincia a 0V e sale fino a 5V dopo un tempo (di ritardo iniziale) di 5µs. Il
tempo di salita è di 2µs. Il segnale permane nello stato a 5V per 10µs per poi discendere, nel tempo
di 3µs (tempo di discesa), al valore 0V. Il periodo totale dell’oscillazione è di 20µs.
24.
Modifichiamo nuovamente l’analisi .TRAN cliccando col pulsante destro del mouse sopra
alla scritta nello schema ed imponendo un transitorio di 30u (30µs). Preleviamo quindi la tensione
sul nodo V(n001) oppure col puntale rosso sul nodo tra R e C.
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Dovremmo ottenere un grafico con una forma d’onda come questa:
Si tratta della nostra tensione pulsante imposta prima con la funzione PULSE.
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3.0 SCHEMA DI UN CIRCUITO RISONANTE RLC SERIE
Proviamo a realizzare il seguente circuito.
Scegliamo i 3 componenti passivi (R-L-C) selezionandoli dai
rispettivi pulsanti sulla Tool bar. Collochiamoli poi come in figura
sulla griglia, editiamoli ed assegniamo loro i valori come in figura.
Premiamo, quindi, il pulsante che indica la “terra” che deve essere
presente in ogni circuito per indicare il potenziale di riferimento.
Infine clicchiamo il pulsante [Component]
o sul tasto [F2],
scegliamo un generatore indipendente di tensione (voltage) ed
editiamolo. Apparirà la seguente tabella:
Siccome per l’analisi del transitorio ci occorre un’onda impulsiva, premiamo il pulsante
[Advanced].
Dalla successiva schermata selezioniamo PULSE. Inseriamo il valore iniziale e finale dell’onda
(p.e. 0-10V), il tempo di ritardo (tdel) con cui parte il segnale, il tempo di salita (tr) e discesa (tf) per
passare da 0 a 10V, il tempo in cui il segnale si mantiene al livello più alto (ton); il Periodo
dell’intera oscillazione che deve essere necessariamente più alto della somma dei vari tempi:
Tp=tdel+tr+tf+ton, e, eventualmente, il numero di cicli cui il segnale va ripetuto nell’analisi.
Settiamo i valori così come riportati nella schermata qui sotto.
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Questo sarà l’andamento della nostra tensione impulsiva ( misurata con .TRAN 20ms).
N.B. Se avessimo adoperato un’onda sinusoidale (SINE) avremmo dovuto invece indicare
l’eventuale tensione di offset (Voffset), l’ampiezza del segnale (Vamp), la frequenza (Freq),
l’eventuale tempo di ritardo (Td), il fattore Theta (1/s) ovvero il reciproco della costante del tempo
di decadimento, la fase del segnale (Phi) e il numero di oscillazioni (Ncycles). Si procede in
maniera analoga per gli altri tipi di segnali previsti: esponenziale (EXP), SFFM, PWL ecc.
Per l’analisi nel dominio della frequenza (AC analysis), ovvero la risposta in frequenza, va invece
attivata la voce Small signal AC analysis inserendo il valore in ampiezza e fase e poi avviata
l’opportuna simulazione nel dominio della frequenza (Linear AC analysis).
Rimando al capitolo 5.0 di questo tutorial per un più attento approfondimento sull’argomento.
Si provi adesso a cambiare i parametri della forma d’onda pulsante (p.e. la lunghezza del periodo, il
tempo di salita e di discesa, i due valori di tensione Vin, Von ecc.) e si verifichi il transitorio.
Si simuli poi un’onda sinusoidale di frequenza 1kHz e si dia una spiegazione al fatto che prelevando
la tensione ai capi del condensatore C1 si ottiene una sinusoide che presenta una prima oscillazione
“frastagliata” mentre le successive semionde appaiono man mano più stabili.
Con un segnale di tipo PWL (cioè una tensione descrivibile nel tempo come una linea spezzata)
provate a “tradurre” la seguente stringa: PWL(5u 0 10u 10 20u 15 25u 3) che sviluppa la seguente
forma d’onda (in un transitorio di 40µs).
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4.0 ANALISI DEL TRANSITORIO DI UN CIRCUITO RLC SERIE
Con riferimento al circuito risonante RLC serie del precedente capitolo proviamo ad analizzarne il
transitorio.
Premiamo sul pulsante [Run]
che raffigura un omino che corre oppure attiviamo la
simulazione dal menù [Simulate] e quindi la voce Run. Comparirà la seguente finestra:
LE ANALISI DI “DEFAULT” DISPONIBILI IN SWITCHERCAD III©
- Linear AC analysis analizza la risposta in frequenza del circuito tramite diagrammi di Bode.
- DC sweep analysys è un’analisi in continua facendo uno sweep, cioè variando la portata di una di
della tensione e/o della corrente elettrica.
- Noise analysis è l’analisi nel dominio della frequenza che misura il rumore sovrapposto al segnale.
- DC Operating Point analysis riporta i potenziali statici di tensione e corrente continua
permettendo così di ricavare la caratteristica di trasferimento quasi statica del circuito.
- Non-linear transient analysis è l’analisi del transitorio del segnale.
- Small signal DC transfer function analysis calcola la funzione di trasferimento delle tensioni o
delle correnti per piccole variazioni di segnali.
Nel nostro caso scegliamo: Non-linear transient analysis. In fondo alla schermata apparirà la scritta:
.TRAN <tstop>. Chi ha avuto a che fare con altri simulatori S.P.I.C.E. di tipo testuale con netlist
troverà certamente familiare questo tipo di inserimento. A questo punto inseriamo il tempo (tstop)
di durata del transitorio. E' possibile indicare anche in modo diverso la sintassi del comando:
.TRAN <Tstep> <Tstop> [Tstart [dTmax]] Dove TStep è l’incremento nel grafico della forma
d’onda, Tstart è uno specifico istante in cui avviare l’analisi; dTmax, infine, è l’intervallo di tempo
in cui si calcolano le equazioni alle differenze finite che rendono possibile ricavare lo stato
successivo in funzione dello stato precedente per ogni intervallo ∆t.
Nel nostro esempio poniamo solamente tstop pari a 1ms.
Premiamo ancora il pulsante [Run]
, comparirà una tabella dove saranno indicate le tensioni
(numerate in base ai nodi) e le correnti (prelevabili sui singoli componenti circuitali). Non
selezioniamone alcuna e premiamo il pulsante Ok.
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Ci apparirà una finestra simile allo schermo di un oscilloscopio che presenta una scala numerata sia
sull’asse X sia su quello Y. In ascissa avremo l’asse del tempo (da 0.0 a 1.0 ms), in ordinata quello
delle tensioni (o delle correnti) in V (o A). Nella finestra sottostante vedremo il nostro circuito.
Portiamo, ad esempio, l’indicatore del mouse (+) sul conduttore che collega la Resistenza al
Condensatore.
L’indicatore cambierà immediatamente forma trasformandosi in un puntale rosso
facciamo clic col pulsante sinistro del mouse.
(Probe),
N.B. Per misurare una corrente bisognerà portare il cursore su di un elemento; il cursore si
trasformerà in una pinza amperometrica
Dovremmo ottenere un grafico con un’oscillazione smorzata del tutto simile a questo:
Proviamo a variare il valore della resistenza portandolo p.e. da 250Ω a 600Ω, ripetiamo l’analisi
come fatto in precedenza e verifichiamo la nuova forma d’onda.
Aumentando la resistenza l’oscillazione si riduce.
Dalla teoria sappiamo che lo smorzamento critico si ha per ξ = 1 cioè per R = 2
L
= 2kΩ
C
Simuliamo allora per R=2kΩ
Otterremo un segnale aperiodico e privo di oscillazioni.
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5.0 RISPOSTA IN FREQUENZA DEI FILTRI PASSIVI RC
La risposta in frequenza è un metodo di analisi particolarmente utile per conoscere il
comportamento dinamico di una rete lineare poiché ne studia la risposta a regime per un’eccitazione
sinusoidale di ampiezza costante, al variare della frequenza. Del resto dalla teoria di Fourier
sappiamo che qualsiasi tipo di forma d’onda può essere pensata come la somma di infinite sinusoidi
e di un’eventuale componente continua. Il rilievo sperimentale della risposta in frequenza viene
riportato graficamente attraverso i cosiddetti diagrammi semilogaritmici di Bode.
Si consideri il seguente Filtro passivo Passa Basso. Un filtro è un
quadripolo capace di operare una relazione tra i segnali applicati
al suo ingresso. La misura principale su di un filtro è il rilievo
dell’andamento dell’Attenuazione (se Vu<Vi) in funzione della
frequenza.
Vu
1
| A |=
=
con (ω = 2πf )
Vi 1 + (ωRC ) 2
Il modulo di tale rapporto può essere espresso in decibel. | A | dB = 20 log
Vu
Vi
In un Filtro Passa Basso tutti i segnali aventi frequenza inferiore alla frequenza di taglio ft
vengono trasferiti all’uscita senza attenuazione. I segnali a frequenza maggiore di ft invece non
vengono trasferiti all’uscita. La Frequenza di taglio ft del filtro è quella in corrispondenza della
quale il modulo di A assume il valore:
Vu
1
1
| A |=
=
= 0,707 = −3dB ; con ft =
Vi
2πRC
2
Editiamo lo schema, diamo i valori di R e C come indicato in figura. Assegniamo, cliccandoci sopra
col pulsante destro e premendo poi il pulsante [Advanced], un valore all’ampiezza del segnale (p.e.
1V) in Small signal Analysis(.AC), al generatore indipendente di tensione V1.
Avviamo la simulazione premendo il pulsante [Run]
e attiviamo
poi la voce Linear AC analysis. Apparirà la seguente direttiva
SPICE: .AC <oct, dec, lin> <Nsteps> <StartFreq> <EndFreq>
Introduciamo i seguenti valori: .AC dec 100 10 100k Vale a dire:
analisi .AC con risoluzione 100 per decade tra le frequenze di 10Hz e 100kHz.
Premiamo nuovamente il pulsante [Run] e preleviamo il segnale col puntale rosso
tensioni sul conduttore identificato dalla scritta Out.
per le
Il risultato sarà il seguente diagramma di Bode che rappresenta la risposta in frequenza del filtro.
A -3dB si avrà la frequenza di taglio ft:
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Se scambiamo di posto la resistenza col condensatore dello
schema precedente otteniamo un Filtro passivo Passa Alto.
In un Filtro Passa Alto tutti i segnali aventi frequenza superiore
alla ft vengono trasferiti all’uscita. Invece i segnali aventi
frequenza minore della frequenza di taglio ft vengono “tagliati”.
Vu
1
1
; con ft =
| A |=
=
Vi
2πRC
1
1+
2
(ωRC )
Il digramma di Bode con la risposta in frequenza del Filtro passivo Passa Alto è il seguente.
La frequenza di taglio a -3dB risulta:
(L’ultimo valore indica la fase)
Collegando opportunamente due celle RC e CR (cioè un filtro
Passa Basso ad un altro filtro Passa Alto) in cascata otteniamo un
Filtro passivo Passa Banda. In questo tipo di filtro, tutti i segnali
applicati all’ingresso aventi frequenza entro la banda (fl-fh)
vengono trasferiti all’uscita senza subire attenuazione. I segnali
aventi frequenza esterna a tale banda, invece, vengono attenuati.
Si assume che: fh ≥ 10 fl ed R2 ≥ 10R1 . Per frequenze interne alla
banda del filtro fl ≤ f ≤ fh si possono considerare i soli parametri resistivi, perciò: | A |=
R1 ;
R1 + R2
1
1
mentre quella superiore: fh ≅
2πR1C1
2πR2 C 2
Il diagramma di Bode con la risposta in frequenza del Filtro Passa Banda è il seguente:
La frequenza di taglio inferiore risulta: fl ≅
fl risulta:
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mentre fh risulta:
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6.0 POTENZIALI STATICI DI TENSIONE E CORRENTE IN UNA RETE
Prendiamo in considerazione la seguente rete di polarizzazione del transistor 2N3904.
Vogliamo conoscere i valori “statici” delle varie
tensioni e correnti che percorrono la rete.
In questo modo, conoscendo il valore della ICQ e della
VCEQ, possiamo ricavare ad esempio il Punto di
funzionamento a riposo Q. Conoscendo IE e IB
possiamo ricavare rispettivamente α e β. ecc.
Realizziamo la rete e assegniamo i rispettivi valori
alle varie Resistenze (clic col pulsante destro
sull’elemento
considerato)
e
al
generatore
indipendente di tensione V1.
e scegliamo la voce DC Operating Point analysis. Sotto, nella
Premiamo sul pulsante [Run]
schermata, apparirà la scritta .OP (Operation Point).
N.B. Se fossero stati presenti nel circuito delle capacità e delle induttanze l’analisi avrebbe
considerato i condensatori circuiti aperti mentre gli induttori dei cortocircuiti.
Clicchiamo Ok, Ci apparirà una finestra testuale con i seguenti valori:
--- Operating Point -----------------------V(n003):
V(n004):
V(n001):
V(n002):
Ic(Q1):
Ib(Q1):
Ie(Q1):
I(Re):
I(Rc):
I(R2):
I(R1):
I(V1):
12
2.01474
6.68507
1.34286
0.00196849
6.29834e-006
-0.00197479
0.00197479
0.00196849
0.000296285
0.000302584
-0.00227108
voltage
voltage
voltage
voltage
device_current
device_current
device_current
device_current
device_current
device_current
device_current
device_current
--------------------------------------------
Siccome non abbiamo “etichettato” i vari nodi del circuito in precedenza, il programma ha applicato
la “sua” classificazione almeno per quanto riguarda le tensioni V(N001)-V(N002) ecc.
Le correnti, viceversa, sono indicate: sia quelle sui tre terminali del transistor, sia quelle sulle
quattro resistenze, sia quella prodotta dal generatore V1. Tuttavia, con riferimento a Ib (Q1), cioè la
nostra corrente di base, può apparire non immediato l’interpretazione del valore: 6.29834e-006
Si sposti allora il mouse su nostro circuito e sì ci porti sulla base del BJT. Guardiamo in basso a
sinistra sulla Status Bar e leggiamo:
vale a dire il valore assunto dalla
nostra corrente di Base IB pari a circa 6,30µA.
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Portiamoci poi col mouse sul collettore del nostro transistor e leggiamo in basso sulla Status bar il
Ovvero la corrente di collettore vale circa 1,97mA (in
valore di (IC):
accordo col valore riportato dalla tabella di sopra 0.00196849A).
La corrente sull’Emettitore (IE) risulta invece:
ossia circa 1,97mA
Pertanto il Rapporto di trasferimento α tra l’ingresso e l’uscita del transistor risulta:
α=
∆I C 1,96849 ⋅ 10 -3
=
= 0,996
∆I E 1,97479 ⋅ 10 −3
Valendo la relazione: β =
α
0,996
=
= 249
1 − α 1 − 0,996
dove β è il guadagno di corrente tra il Collettore e la Base: β =
∆I C
∆I B
La VCEQ si ricava portando il puntatore del mouse nei pressi del Collettore. La tensione VC risulta
e, analogamente portando il puntatore del mouse nei pressi
dell’Emettitore, la tensione VE è
Essendo: VCE=VC-VE = 6,68507-1,34286=5,3422V
PER LE CORRENTI ABBIAMO:
Nel nodo indicato N003: I = I R1 + I RC = 0,302mA+ 1,97mA=2,27mA
Invece nel nodo N004: IB = IR1-IR2 = 302,5µA-296,2µA=6,30µA
In accordo col 1° principio di Kirchhoff (legge dei nodi)
n
∑ I k = 0
k =1
PER LE TENSIONI ABBIAMO:
Nella maglia individuata tra: VCC=R1IR1+VB risulta:
12 = 33 ⋅ 10 3 ⋅ 302,5 ⋅ 10 −6 + 2,014 = 9,9825 + 2,014 = 11,996 ≅ (12V )
Invece nella maglia: VCC=RCIC+VCEQ+VRE risulta:
12 = 2700 ⋅ 0.001968 + 5,3422 + 1,34286 = 11,9986V ≅ (12V)
In accordo col 2° principio di Kirchhoff (legge delle maglie)
m
m
I
R
⋅
=
∑ k k ∑ fem k
k =1
k =1
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7.0 SWEEP DI TENSIONE E CARATTERISTICA DEL DIODO
Attraverso l’analisi DC sweep analysis
simuleremo il comportamento di un diodo
al silicio, p.e. un comune 1N4148, e
ricaveremo la curva caratteristica tensionecorrente variando la portata (sweep) della
tensione applicata tra anodo e catodo.
Lo schema del circuito è il seguente:
Disponiamo i componenti come nello
schema, facciamo clic col pulsante destro
del mouse sul generatore indipendente di
tensione V1 e attribuiamogli un valore (nel
nostro caso 5V). Analogamente portiamoci
sul simbolo del diodo e clicchiamo col
pulsante destro. Apparirà una tabella.
Facciamo clic sul pulsante [Pick new Diode] e scegliamo la sigla 1N4148 dalla libreria.
Il diodo presenta le seguenti proprietà:
Avviamo l’analisi premendo sul pulsante [Run]
Scegliamo, quindi, DC sweep analysys.
Inseriamo i seguenti valori: .DC V1 0.01 1 0.05
Che “tradotto” significa: abilitiamo l’analisi .DC per
fare uno sweep sul generatore indipendente di tensione
V1 variando la tensione tra 0.01V e 1V con un
incremento di 0.05V per volta.
Premiamo nuovamente [Run]
ed avviamo la simulazione.
sul diodo in modo da poter ricavare il
Portiamoci col puntale a forma di pinza amperometrica
valore della variazione della corrente diretta in funzione della variazione della tensione diretta.
Otterremo il seguente grafico che rappresenta la Curva caratteristica del diodo:
Il diodo entra in conduzione appena supera la tensione di soglia Vγ che dalla simulazione di
SwitcherCAD III© risulta:
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8.0 SWEEP DI CORRENTE E CARATTERISTICA DI COLLETTORE
Adesso proviamo a ricavare la nota
caratteristica d’uscita del transistore
(caratteristica di collettore).
Lo schema del circuito è il seguente.
Premiamo il pulsante [Component]
sulla Tool bar (quello che raffigura
la porta and) oppure il tasto [F2] e
scegliamo dal menù la voce npn.
Piazziamo il transistor bipolare sullo
schema, clicchiamo il pulsante
destro del mouse e alla schermata
successiva premiamo il pulsante
[Pick new Transistor].
Scegliamo nella libreria quello identificato dalla sigla 2N2222. Questo BJT presenta, tra le altre, le
seguenti caratteristiche.
Avviamo l’analisi premendo sul pulsante [Run]
Scegliamo quindi DC sweep analysys ed inseriamo i
seguenti valori: .DC V1 0 15 10m I1 0 100u 10u
In pratica si fa variare la tensione di alimentazione V1
(e di conseguenza la VCE) tra 0 e 15V con un
incremento di 10mV. Inoltre è fatto variare il valore
della corrente fornito dal generatore I1 (in pratica la IB)
tra 0 e 100µA con un aumento di 10µA per volta.
Clicchiamo su [Run]
ed avviamo la simulazione.
Portiamoci con la nostra pinza amperometrica
valore della IC(Q1).
sul Collettore del transistor e misuriamo il
Otterremo la seguente curva caratteristica d’uscita del transistore bipolare npn.
E’ così possibile ricavare il Punto di funzionamento Q per un determinato valore di ICQ (in ordinata)
e di VCEQ (in ascissa) al variare della corrente di Base IB.
Vcc
e ICQ = 10mA. Si ricavi, quindi, il Punto di funzionamento a
2
riposo Q e il valore assunto della I
Per esempio, si ponga: VCEQ =
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9.0 VARIAZIONI DI TEMPERATURA
Abbiamo visto che in SwitcherCAD III©, premendo sul pulsante Run
serie di analisi di default (vedi cap. 4.0).
, si ha a disposizione una
E’ però possibile aggiungere nuovi tipi di simulazione attraverso altri comandi SPICE (presentati,
con relativa sintassi, nell’appendice di questo tutorial). Tra questi assume notevole importanza il
comando che permette di simulare la risposta di un dispositivo (o di un’intera rete) in funzione di
una variazione di temperatura ∆T.
Dalla teoria sappiamo che in un transistore bipolare (BJT) la corrente di dispersione del collettore
ICEO (porzione minore della IC) aumenta rapidamente con la temperatura. Se la temperatura
aumenta eccessivamente, la corrente di dispersione diventerà così alta da limitare l’utilizzo del
transistore, poiché questa corrente di collettore circolerà indipendentemente dalle condizioni di
ingresso. Per i transistor al germanio, la temperatura limite è di circa 85°C, per quelli al silicio è
di circa 220°C.
Prendiamo come esempio la solita rete di polarizzazione già vista nel capitolo 5.0.
Per ricavare i soli potenziali statici di tensione e corrente presenti nella rete si è attivata l’analisi DC
Operating Point analysis (comando SPICE .OP).
Dalla tabella testuale ottenuta col comando .OP risulta tra le altre voci che:
Ic(Q1):
0.00196849
device_current
Vale a dire che la corrente di collettore IC è circa 1,97mA. Questo valore è ottenuto considerando
una temperatura ambientale di 25°C, poiché solitamente a questa temperatura vengono effettuati i
test che esprimono le caratteristiche elettriche di un componente elettronico.
Ma cosa succede se eseguiamo la misura ad un'altra temperatura?
Scegliamo Edit dal menù in alto e la voce .op SPICE Directive oppure semplicemente premiamo il
tasto “S” sulla tastiera. Ci apparirà la seguente schermata Edit Text on the Schematic.
Inseriamo il seguente comando: .STEP temp -55 125 5.
Questo direttiva SPICE predispone l’analisi di una tensione o di una corrente in funzione della
variazione di temperatura nell’intervallo -55°C ÷ 125°C.
La grandezza elettrica sarà riportata in ordinata con un “passo” (step) di 5 unità tra i suoi successivi
valori. In ascissa avremo invece la temperatura espressa in gradi centigradi °C nell’intervallo
considerato -55°C÷125°C.
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SwitcherCAD III - Tutorial -
Disponiamo il comando SPICE (.STEP temp -55 125 5) sullo schema e avviamo finalmente la
simulazione premendo il pulsante Run
.
Portiamoci col puntatore del mouse all’altezza del Collettore del
transistor. Ci apparirà la pinza amperometrica come in figura.
Facciamo clic col pulsante sinistro del mouse.
La simulazione mostrerà il seguente grafico:
All’aumentare della temperatura si ha, effettivamente, un corrispondente aumento della corrente di
collettore ICEO e quindi di IC.
A 25°C, anche dal grafico, risulta:
col comando .OP precedentemente.
Più in generale, vediamo che per
praticamente il “nostro” 1,968 mA ottenuto
e che per
.
Vale a dire che per una variazione di temperatura ∆T di 180°C (-55°C÷125°C) si ha una
corrispondente variazione di corrente di Collettore ∆IC di 0,266µA (1,7478mA÷2,2295mA).
E cosa accade per le tensioni?
La VCE [V(C)-V(E)] con l’aumento della temperatura diminuisce. Se a 25°C vale circa 5,36V, a -55°C
vale circa 6V mentre a 125°C scende a 4,45V.
Appare così evidente che una variazione di temperatura determina lo spostamento del Punto di
funzionamento a riposo Q (VCEQ,ICQ).
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10.0 IL BJT COME INTERRUTTORE ON-OFF
Limitandoci al caso del transistor BJT, con riferimento alla Caratteristica di Collettore sappiamo
che lo stato di interdizione indica, sostanzialmente, assenza di corrente (IB = 0, I C ≅ 0 ) perciò può
essere associato ad un interruttore aperto (OFF).
Lo stato di saturazione invece lo si raggiunge quando la caduta di tensione tra Collettore ed
Emettitore VCEsat è molto piccola (0,1÷0,3V) (IB > IBmin ed RC I C ≅ VCC ) per cui può essere associato
ad un interruttore chiuso (ON).
Dimostriamolo applicando una simulazione
a questo semplice circuito.
Premiamo [F2] o il tasto Component
,
scegliamo la voce npn dal menù e piazziamo
il transistor sullo schema.
Premiamo poi col pulsante destro sul
componente; clicchiamo successivamente
sul tasto [Pick new Transistor] e scegliamo
quindi quello identificato dalla sigla
2N2222.
Sistemiamo infine tutti gli altri componenti come riportato sullo schema.
Vcc è un semplice generatore indipendente di tensione continua di 5V, mentre V1 è un generatore di
tensione “pulsante” tra -5V e +5V alla frequenza di 1kHz (t=1µs).
Premiamo su [Run] nel menù [Simulate] ed abilitiamo: Non-linear transient analysis, quindi
inseriamo nel campo sottostante .TRAN 5u (analisi per un transitorio di 5µs).
Premiamo nuovamente [Run] e preleviamo le tensioni di ingresso (Vin) e d’uscita (Vout).
Dovremmo ottenere il seguente grafico.
Ripetiamo l’analisi e preleviamo pure Ib(q1) e Ic(q1). Otterremo il successivo grafico con
l’andamento delle correnti di Base e di Collettore.
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SwitcherCAD III - Tutorial -
Quando Vin=0 si ha Ib=0 e quindi Ic ≅ 0 per cui non essendoci caduta su RC sia avrà VCE ≅ Vcc .
Il BJT è in interdizione: Vin=0 ⇒ VCE=VCC ⇒ Vout=5V
Se invece Vin è alta (Vin=5V) si avrà IB>IBmin e quindi il BJT è in saturazione per cui l’uscita
Vout sarà bassa
(al valore di VCEsat).
VCEsat è piccola perché è pari alla differenza VCEsat = Vcc − RcIc (dove RcIc è grande).
Il circuito precedente è la più semplice porta NOT (inverter). Con l’ingresso alto (H) l’uscita
risulta bassa (L) e viceversa.
Modifichiamo leggermente il nostro circuito
come nel seguente schema.
Anziché la funzione PULSE assegniamo ai
nostri due generatori la funzione PWL (un
segnale discontinuo nel tempo) con i valori
indicati nella figura a canto. In pratica si fa
variare i due segnali tra 0 e 5V in modo diverso
nel periodo di 60µs.
Eseguiamo l’analisi del transitorio (Non-linear
transient analysis) in modo analogo a quanto
fatto per il precedente circuito per un periodo di
100µs.
Preleviamo le tensioni sui due ingressi In1 e In2 e sull’uscita Out.
Se V(in1) o V(in2) oppure entrambe sono alte (H) si avrà IB > IBmin, il BJT è in saturazione per
questo VCEsat vale (0,1-0,3V) perciò V(out) sarà bassa (L). Se invece V(in1) e V(in2) sono entrambe
basse (L-L) si avrà IB=0, I C ≅ 0 il BJT è in interdizione perciò VCE ≅ VCC e V(out) sarà alta (H).
Il circuito rappresenta la più semplice porta NOR.
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11.0 RILIEVO DELLE CARATTERISTICHE DI UN NMOS
La sigla MOSFET sta ad indicare dei particolari transistori ad effetto di campo che presentano
un’altissima resistenza d’ingresso (tra 1012 e 1014Ω) che, aggiunta alla peculiarità del loro processo
costruttivo, li ha resi fondamentali nella costruzione dei circuiti integrati a larga scala di
integrazione (LSI). Esistono due tipi di MOS (sigla che sta per Metallo-Ossido-Semiconduttore,
ovvero i suoi tre elementi costitutivi): i MOS ad arricchimento (enhancement) e quelli a
svuotamento (depletion); per entrambi il canale può essere di tipo N (nmos) oppure P (pmos).
Dalla teoria sappiamo che applicando al Gate una tensione
positiva (VGS) si creerà un campo elettrico tra Gate e Substrato
che attirerà elettroni dalle vicine regioni Source e Drain e
dallo stesso Substrato. Si viene a formare così una sorta di
condensatore che vede il gate come armatura positiva e il
substrato come armatura negativa; l’ossido di silicio SiO2
forma il dielettrico. Quando la tensione VGS supera la tensione
di soglia VT lo strato di elettroni avrà costituito un canale di tipo N fra Source e Drain. Sicché
applicando una tensione positiva tra D e S (VDS) nel transistor scorrerà una corrente ID.
Costruiamo con SwitcherCAD III® il seguente schema e
proviamo a rilevare le Caratteristiche di uscita e di
trasferimento del NMOS. Premiamo il tasto [F2] Component e
scegliamo la voce “nmos” dal menù.
Facciamo clic col pulsante destro del mouse sul componente e
quindi premiamo il pulsante [Pick new MOSFET]. Scegliamo
quello identificato dalla sigla FDS6680A. Assegniamo il valore
0. ai due generatori indipendenti di tensione V1 e V2 che
rappresentano rispettivamente la VDS e la VGS del NMOS.
Avviamo la voce Run dal menù Simulate e scegliamo quindi
DC sweep analysys impostando i seguenti valori: .DC (V1 0 30 10 e V2 0 20 4) vale a dire facciamo
lo “sweep” per valori di VDS (V1) compresi tra 0 e 30V e di VGS (V2) tra 0 e 20V.
Avviamo la simulazione premendo
e ricordiamoci di prelevare la corrente sul Drain del NMOS
Id(M1). Otterremo il seguente grafico che rappresenta la Caratteristica d’uscita del NMOS:
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SwitcherCAD III - Tutorial -
In ascissa abbiamo il valore della VDS (0-30V) mentre in ordinata le linee rette rosse sono i valori
della VGS (0-20V) mentre le curve tracciate in viola sono i valori della corrente prelevata sul drain
Id(M1) del nostro MOSFET.
Spostandoci col puntatore del mouse lungo il grafico e leggendo i valori sulla Status bar notiamo
che la tensione di soglia VT (sull’ordinata di VGS) tra gate e source è pari a circa 2V.
Incrementando VGS a parità di valori di VDS la corrente ID cresce poiché si allarga il canale N tra
drain e source. Infatti poniamo p.e. VDS = K =15,02V e leggiamo in corrispondenza di questo valore
i valori di VGS (in V) e di Id (in mA) sull’asse Y:
La Caratteristica di trasferimento del NMOS ci permette invece di ricavare oltre alla VT, il valore
della corrente di drain ID per VGS=0 e il valore della ID(on) cioè il valore della corrente ID in
corrispondenza di un valore della VGS con il transistor è in piena conduzione.
Con lo stesso schema precedente poniamo V1=VDS = K (p.e. 30V) e ripetiamo la DC sweep analysys
variando la portata del solo generatore di tensione V2 (la nostra VGS) tra 1 e 7V con incremento di
1V per volta. Ovviamente dovremo prelevare la corrente sul drain Id(M1) del MOSFET.
Ricaveremo il seguente grafico:
La tensione VT risulta di circa 2V. Si nota, inoltre, che fissando la tensione di Drain (VDS), la
corrente ID aumenta con andamento (all’incirca) proporzionale al quadrato di VGS.
Adoperando lo strumento zoom invece possiamo ricavare per VDS=0V il valore di ID
indicato con ID(off) - pari a
.
La ID(on) per VDS = 6V per esempio risulta di
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-
spesso
.
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12.0 AMPLIFICATORE OPERAZIONALE INVERTENTE E CIFRA DI RUMORE
L’amplificatore operazionale è forse il circuito integrato lineare d’uso più comune. Grazie alla sua
versatilità ha di molto semplificato la fase di progettazione rispetto al passato.
In questo capitolo di questo tutorial dimostreremo come sia facile realizzare un amplificatore
operazionale invertente con guadagno molto stabile grazie all’utilizzo di una semplice rete (di
reazione) resistiva esterna. Infine vedremo come misurare la cifra di rumore (vale a dire l’indice di
rumorosità di un dispositivo).
Come si vede dallo schema un
amplificatore
operazionale
richiede
un’alimentazione duale (anche se, con
opportuni accorgimenti, può lavorare
anche con una singola alimentazione) nel
nostro caso di +12V, -12V.
Il segnale di ingresso Vs è applicato
direttamente all’ingresso invertente (-)
dell’operazionale attraverso un resistore
(R1) in questo caso da 1kΩ. Il resistore
(R2) in questo caso da 10kΩ, è invece
l’elemento di reazione.
R2
La tensione d’uscita risulta: Vo = −
⋅ Vi
R1
Il segno (-) meno indica che quando il segnale di ingresso è positivo, la tensione d’uscita è negativa
e viceversa. L’uscita è sfasata rispetto all’ingresso sempre di 180°.
Il guadagno di tensione, in valore assoluto, è: | Ac |=
| Vo | R 2 10k
=
= 10
=
| Vi | R1 1k
Pertanto il guadagno in tensione di un amplificatore operazionale invertente dipende solo dal
rapporto tra R2 e R1. Diamo a Vs un valore di 100mV con frequenza di 1kHz, scegliamo un
operazionale di precisione come LT1001 dalla libreria e assegniamo il valore indicato nello schema
alle due resistenze R1 e R2. Verifichiamo quindi l’uscita Vo con l’analisi del transitorio (.TRAN).
Clicchiamo su Run
, spuntiamo la voce Non-linear transient analysis e poniamo: .TRAN 5m.
Avviamo la simulazione e preleviamo la tensione Vo con il puntale rosso
Portiamo in seguito il puntale all’altezza di Vi e preleviamo anche la tensione d’ingresso.
Dovremmo ottenere il seguente grafico con Vo=10Vi:
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SwitcherCAD III - Tutorial -
Dal precedente grafico appare evidente che il segnale d’uscita Vo risulta effettivamente amplificato
di un fattore |A|=10 ed invertito in fase di 180° rispetto al segnale in ingresso Vi:
Vo =
con Vi =
Adesso, adoperando sempre lo stesso amplificatore operazionale di precisione LT 1001 proviamo a
misurare la cifra di rumore del dispositivo grazie alla Noise analysis possibile col comando
.NOISE.
Per definizione la cifra di rumore è data dal rapporto segnale/rumore all’ingresso diviso per il
rapporto segnale/rumore all’uscita del dispositivo. Indica perciò di quanto si è deteriorato il
rapporto segnale/rumore nell’attraversare il dispositivo.
SwitcherCAD III© compie l’analisi nel dominio della frequenza calcolando la quota di rumore
dovuta al rumore di Johnson o rumore termico provocato dal moto degli elettroni, e il rumore
flicker o rumore di tremolio dovuto a quanto avviene nella zona di carica spaziale, il qual è
inversamente proporzionale alla frequenza.
La sintassi del comando è la seguente:
.NOISE V(<out>[,<ref>]) <src> <oct, dec, lin> <Nsteps> + <StartFreq> <EndFreq>
V(<out>[,<ref>]) è il nodo rispetto al quale il rumore totale in uscita viene calcolato. Può essere
espresso come (Vo, Vi) oppure con riferimento rispetto alla terra (Vo, 0) e rappresenta la tensione
tra i due nodi. <src> invece indica il nome di una sorgente indipendente alla quale il rumore in
ingresso è riferito. I parametri <oct, dec, lin
© Pietro Salvato
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13.0 COMPARATORE A FINESTRA
Un sensore di livello fornisce una tensione fra 0 e
10V proporzionale al livello di un liquido contenuto
in una cisterna.
Con un appropriato circuito formato da un partitore
resistivo e da due comparatori si provi a simulare uno
specifico sistema di controllo che ci segnali (magari
mediante due LED, uno rosso e l’altro verde) quando
si presentano situazioni anomale di livello
insufficiente (1/3 del livello massimo) o di livello
eccedente (2/3 de livello massimo) del liquido nella
cisterna.
Si realizzi lo schema in figura, i comparatori sono
due amplificatori operazionali di precisione LT1013
che richiedono un’alimentazione duale (±10V).
Il partitore resistivo permette di prelevare le due tensioni di riferimento: VR1 pari a 2/3Vcc
e VR2 pari a 1/3Vcc
, valori che si possono ricavare con l’analisi dei potenziali statici .OP.
Riproduciamo il nostro sensore di livello con un generatore Vs di tipo PWL (in pratica una tensione
descrivibile nel tempo come una linea spezzata) che varia nel tempo non molto velocemente (una
ventina di secondi). Inseriamo quindi i valori come in figura.
A questo punto premiamo [Run] nel menù [Simulate] e scriviamo .TRAN 20 dopo aver abilitato
Non-linear transient analysis (si avvia così l’analisi per un periodo di 20 secondi).
ed avviamo la simulazione. Preleviamo le tensioni V(out1) e V(out2)
Clicchiamo su Run
all’uscita dei due comparatori e all’ingresso quella proveniente dal nostro sensore V(source).
V(source) rappresenta l’andamento della tensione fornita dal sensore proporzionale al livello
raggiunto dal liquido nel serbatoio. Come si vede varia tra gli 8 e i 2V. Ogni qualvolta la tensione
L’uscita V(out1) del primo comparatore commuta e va alta per cui
supera i 2/3 Vcc
l’eventuale LED verde si accende e ci avvisa di un eccesso del livello raggiunto dal liquido.
Ovviamente l’uscita dell’altro comparatore V(out2) continua a rimanere bassa (tratto tra 0 e 2s).
Nel tratto tra 2 e 4,73s entrambi i comparatori danno uscita bassa (assenza di situazioni anomale,
nessun LED si accende) poiché il livello del liquido è compreso tra la soglia superiore (2/3 Vcc) e
quell’inferiore (1/3 Vcc). Nel tratto di ascissa compreso tra 4,74 e 5,25s la tensione proveniente dal
sensore V(source) scende sotto i
, l’uscita del secondo comparatore V(out2) commuta ad alta,
perciò un eventuale LED rosso si accende (mentre quella del primo commutatore V(out1) permane
bassa) e ci avvisa della situazione anormale di livello insufficiente di liquido nel serbatoio.
© Pietro Salvato
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APPENDICE
A) LA NETLIST
Una volta creato il circuito questo verrà descritto da un file di testo chiamato netlist. La prima linea
in una netlist viene ignorata, poiché assume il valore di un commento. L’ultima linea di una netlist è
generalmente identificata dal valore .END, che tuttavia può essere omesso. Ogni linea, dopo la linea
di comando .END verrà ignorata.
L’ordine delle linee tra i commenti e la fine è irrilevante. Le linee possono contenere commenti,
elementi circuitali o direttive di simulazione. Ad esempio:
* Questa prima linea è ignorata
* Il seguente circuito è un classico RC con segnale d’ingresso
* formato da un onda quadre di MHz
R1 n1 n2 1K
; Una resistenza da 1kOhm tra i nodi n1 e n2
C1 n2 0 100p ; Una capacità da 100pF tra i nodi n2 and la terra (potenziale 0)
V1 n1 0 PULSE(0 1 0 0 0 .5µ 1µ) ; Un’onda quadra di 1Mhz
.tran 3µ
; Analisi del transitorio per un periodo pari a 3µs
.end
Le prime due linee sono commenti. Ogni linea comincia con "*"; essendo commenti saranno
ignorati dal simulatore. La linea che comincia con "R1" definisce un resistore di valore 1K
connesso tra il nodo n1 e il nodo n2. Si noti che il segno ";" può essere usato per iniziare un
commento a fianco della linea di comando. La linea che comincia con "C1" dichiara, invece, che
c’è un condensatore del valore di 100pF tra il nodo n2 e il potenziale 0 (la terra).
© Pietro Salvato
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B) LETTERE
A - Z: Un elemento circuitale è riconosciuto innanzitutto da una lettera, p.e. "R" per un resistore,
"C" per un condensatore, "L" per un induttore. Ogni elemento in un circuito è specificato da un
nome, altrettanto viene fatto per i nodi ai quali gli elementi circuitali sono connessi e per il valore
dei parametri che determinano le caratteristiche elettriche dei singoli elementi. La prima lettera che
compone il nome di un elemento ne specifica il tipo. Così R, R1, RL, ROUT, and R3AC2ZY sono
nomi validi per un resistore. Il nome di un elemento circuitale deve essere unico; per esempio, ci
può essere un solo valore R1 in un circuito. Alcuni elementi circuitali richiedono modelli che
devono essere chiaramente definiti.
© Pietro Salvato
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SwitcherCAD III - Tutorial -
C) NUMERI E SUFFISSI
I numeri possono essere espressi non solo con la notazione scientifica; p.e. 1e12; ma anche usando i
suffissi moltiplicativi letterali. Così, 1000.0 o 1e3 può scriversi anche come 1K.
SUFFISSO
T
G
Meg
k
m
uoµ
n
p
f
FATTORE MOLTIPLICATIVO
1e12
1e9
1e6
1e3
1e-3
1e-6
1e-9
1e-12
1e-15
TERMINE
Tera
Giga
Mega
Kilo
Milli
Micro
Nano
Pico
Femto
I nomi dei nodi possono essere arbitrari e formati da semplici stringhe di caratteri. In generale in un
circuito il nodo a potenziale comune (0) è chiamato GND (ground vale a dire terra). Da notare che
le stringhe, "0" e "00" indicano nodi distinti.
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D) COMANDI DI EDITING
Comando [Tasto] Descrizione
-------------------------------------------------------
Undo (annullare) [F9] Annulla i comandi precedenti.
Redo (indietro) [Shift+F9] Torna all’ultimo comando.
Text (testo) [T] Inserisce del testo di commento sullo schema.
SPICE directive (comando SPICE) [S] Inserisce una nuova simulazione SPICE.
Resistor (resistore) [R] Inserisce una resistenza nello schema.
Capacitor (condensatore) [C] Inserisce un condensatore.
Inductor (induttore) [L] Inserisce un induttore (induttanza).
Diode (diodo) [D] Inserisce un diodo.
Component (componente) [F2] Inserisce il simbolo di un componente elettrico.
Rotate (ruota) [Ctrl+R] Ruota un componente o un blocco selezionato.
Mirror (specchio) [Ctrl+E] Inverte (specchia) ruotandolo rispetto all’asse y un componente.
Draw Wire (disegna un filo) [F3] Connette i componenti tra loro.
Label Net (etichetta) [F4] Identifica la “terra” o altri nodi, le uscite, gli ingressi ecc.
Place GND (terra) [G] Pone il simbolo del potenziale di “terra” (Groud) 0 nello schema.
Delete (cancella) [F5] Cancella l’oggetto o un’intera porzione di schema selezionato.
Duplicate (duplica) [F6] Copia un oggetto o una porzione di schema.
Move (muovi) [F7] Muove un oggetto o una porzione di schema.
Paste (incolla) [CTRL+V] Copia un oggetto o intera porzione di schema o tra più schemi.
Drag (sposta) [F8] Attiva il “drag ‘n’ drop” ovvero sposta un oggetto o interi blocchi.
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E) COMANDI DI ANALISI S.P.I.C.E.
.AC -
Analisi in alternata AC. Questo tipo di analisi è utilizzata per verificare la risposta in
frequenza di filtri, reti, analisi di stabilità e rumore.
Sintassi: .ac <oct, dec, lin> <Nsteps> <StartFreq> <EndFreq>
La frequenza è definita tra un valore iniziale (StartFreq) ed uno finale (EndFreq). La risoluzione è
definita dai parametri "oct", "dec", o "lin" e dal numero steps secondo la seguente tabella:
oct
dec
lin
No. di step per ottave
No. di step per decade
Numero totale, in scala lineare, di step tra StartFreq e EndFreq
.DC - Analisi in continua DC con variazione di portata (sweep)
Sintassi: .dc <srcnam> <Vstart> <Vstop> <Vincr> + [<srcnam2> <Vstart2> <Vstop2> <Vincr2>]
<srcnam> Nome del generatore indipendente (V/I)
<Vstart> Valore iniziale
<Vstop> Valore finale
<Vincr> Incremento
.FOUR - Misura la componente di Fourier dopo l’analisi del transitorio
Sintassi: .four <frequency> [Number of Harmonics] <data trace1> [<data trace2> ...]
<frequency> frequenza
[Number of Harmonics] il numero di armoniche che compongono il segnale
<data trace1> dati della prima traccia
<data trace2> dati della seconda traccia...
.FUNC - funzione definita dall’utente
Sintassi: .func myfunc(x,y) {sqrt(x*x+y*y)}
.param u=100 v=600
V1 a 0 pulse(0 1 0 1n 1n .5µ 1µ)
R1 a b {myfunc(u,v/3)}
C1 b 0 100p
.tran 3µ
.end
.IC - assegna le condizioni iniziali di un componente (p.e. induttori o condensatori)
Sintassi: .ic [V(<n1>)=<voltage>] [I(<inductor>)=<current>]
Esempio: .ic V(in)=2 V(out)=5 V(vc)=1.8 I(L1)=300m
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SwitcherCAD III - Tutorial -
.MODEL - definisce un modello per un diodo, transistor, interruttore, ecc.
Sintassi: .model <modname> <type>[(<parameter list>)]
.NODESET - stabilisce le condizioni iniziali (DC)
Sintassi: .NODESET V(node1)=<voltage> [V(node2)=<voltage [...]]
Si usa per far variare lo stato di un circuito, si pensi alla variazione che si determina un flip-flop.
.NOISE - analisi del rumore in una rete
Sintassi: .noise V(<out>[,<ref>]) <src> <oct, dec, lin> <Nsteps> + <StartFreq> <EndFreq>
(<out>[,<ref>]) è il nodo d’uscita dove viene calcolato il rumore. Può essere espresso come
funzione di V(n1, n2) per rappresentare il voltaggio tra 2 nodi. <src> è il nome del generatore
indipendente di segnale a cui è riferito il rumore in ingresso. I parametri <oct, dec, lin>, <Nsteps>,
<StartFreq>, and <EndFreq> definiscon il campo di frequenza e la risoluzione come nell’analisi .ac
.OP - Trova i potenziali statici di una rete alimenta in continua
Sintassi: .OP
.PARAM - Parametri definiti direttamente dall’utente
Esempio:
*
* Questa è la definizione del circuito
.params x=y y=z z=1k*tan(pi/4+.1)
X1 a b 0 divider top=x bot=z
V1 a 0 pulse(0 1 0 .5µ .5µ 0 1µ)
* Questa è la definizione del sub-circuito
.subckt divider n1 n2 n3
r1 n1 n2 {top}
r2 n2 n3 {bot}
.ends
*
.tran 3µ
.end
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SwitcherCAD III - Tutorial -
.SAVE - Limita la quantità dei dati da salvare
Sintassi: .save V(out) [V(in) [I(L1) [I(S2)]]]
Poiché certe analisi possono richiedere molto spazio (in termini di mega occupati sull’HD) questa
opzione permette di restringere la quantità (e la qualità) dei dati salvati.
Ad esempio:
.save I(Q2) salverà la corrente di base, collettore e di emettitore di un BJT (Q2) di una rete
tralasciando gli altri elementi.
.STEP - Sweep sui parametri
Esempio: .step temp -55 125 10
Step la temperatura tra i -55°C e i +125°C con risoluzione di 10 gradi.
.TEMP - sweep di temperatura
Sintassi: TEMP <T1> <T2> ...
Un’altra forma di definire un intervallo di temperatura...
.TF - Trova la funzione di trasferimento per segnali in continua
Sintassi: .TF V(<node>[, <ref>]) <source> Oppure
.TF I(<voltagesource>) <source>
.TRAN - analisi del transitorio
Syntax: .TRAN <Tstep> <Tstop> [Tstart [dTmax]] [modifiers] oppure
.TRAN <Tstop> [modifiers]
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F) BIBLIOGRAFIA
- Elettronica, componenti e tecniche circuitali
E. Cuniberti, L. De Lucchi, B. De Stefano – Petrini editore, Torino (1992)
- Laboratorio di misure elettroniche
R. Giometti, F. Frascari – Calderini editore, Bologna (1989)
- Sistemi automatici
D. Fuselli – Zanichelli editore, Bologna (1993)
- Enciclopedia di elettronica ed informatica
Gruppo editoriale Jackson, Milano (1984)
- Manuale di elettronica e telecomunicazioni
Hoepli editore, Milano (1993)
- Electrical engineering and electronics
E. H. Glendinning – Oxford University Press, Oxford UK (1990)
- Manuale di elettronica
E. Pasahow – McGraw-Hill, Gruppo editoriale Jackson, Milano (1988)
---------------- Windows è un marchio registrato® da Microsoft Coroporation.
- SwitcherCAD III è un marchio registrato® da Linear Technology Corporation.
Tutti gli altri prodotti, marchi, loghi ecc. eventualmente citati in questo Tutorial sono dei rispettivi proprietari.
Agosto 2005.
---------------Per ulteriori spiegazioni si rimanda all'HELP e alle FAQs del programma (che appaiono
sufficientemente chiare). Inoltre può tornare utile un manuale sulla modellazione SPICE. In rete, in
particolare su alcuni siti di corsi di laurea in ingegneria elettronica, è possibile trovarne qualcuno
in formato elettronico.
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